NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TỪ HÓA, TỪ GIẢO VÀ CƠ CHẾ LỰC KHÁNG TỪ DƯƠNG TRONG CÁC MÀNG ĐA LỚP DỰA TRÊN HỢP KIM TbFeCo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ■ • * TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ • • Q ^ • — BÁO CÁO TỔNG KÉT nr ^ ■» -t ^ i1 • T ên đ ê tài NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TỪ HÓA, TỪ GIẢO VÀ C CHÉ Lực KHÁNG TỪ DƯƠNG TRONG CÁC MÀNG ĐA LỚP D ựA TRÊN HỌP KIM TbFeCo • * Đe tài nghiên cửu khoa học cấp ĐHQGHN Trường Đại học Công nghệ quán lý Mã số: QC.06.22 Chủ nhiệm đề tài: TS Đỗ Thị Hương Giang Hà \ ộ i - 2007 BÁO CÁO TỐNG HỢP CÁC NỘI DUNG NGHIÊN c ứ u ■ • ĐÈ TÀI NGHIÊN c u KHOA HỌC CÁP ĐHQGHN DO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHÊ OƯẢN LÝ I THƠNG TIN TĨNG QUAN Tên đề tài: "Nghiên cứu q trình từ hóa, từ giảo chế lực kháng từ chrơng màng đa lớp dựa hợp kim TbFeCo " Chủ trì đề tài: - Họ tên: ĐỎ THỊ HƯƠNG GIANG -H ọ c hàm, học vị: Tiến sỳ - Chức vụ: Giảng viên - Đơn vị công tác: Khoa Vật lý Kỹ thuật Công nghệ Nanô, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Nhà E3, 144 Xuân Thúy, c ầ u Giấy, Hà Nội - Điện thoại: 04-7549332; Fax: 04-7547460; Di động: 0983234605 - E-mail: giangdth@vnu.edu.vn Cơ quan phối họp thực hiện: Khoa Vật lý Kỹ thuật Công nghệ Nanô, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Trung tâm Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Trung tâm Đào tạo Ọuổc tế Khoa học Vật liệu ITIMS, Đại học Bách khoa Hà Nội Groupe de Physique des Materiaux, Université de Rouen, CH Pháp Cộng tác viên đề tài: GS.TS Nguyễn Hữu Đức Trường ĐịH:Cóng nghệ* D IJQ GIÍN.— I NCS Nguyễn Thành Nam Trường ĐH Công nghệ, ĐHỌGHN NCS Bùi Cơng Tính Trường ĐH Cơng nghệ, ĐHỌGHN NCS Bùi Đình Tú Trường ĐH Cơng nghệ, ĐHQGHN Tóm tắt kết đề tài: Q trình từ hóa vả hình thành vách đơmen vùng chun tiêp giừa lớp từ mềm từ giảo màng đa lớp có cấu trúc đàn hồi từ nghiên cứu mô tả cách tượng ỉuận hệ màng từ giảo {Tb(Feo,5 Coo 5)i 5/YFeCo}50 Trong kết nghiên cứu mình, chúng tơi đề xuất mơ hình q trình từ hóa khác phụ thuộc nhiệt độ, thành phân, độ dày lóp tính chất từ nội cùa lớp từ độ, dị hướng từ, lực kháng từ, lượng tương tác trao đổi định Chúng đề xuất mơ hình tính tốn lý thuyết dựa vào cạnh tranh loại lượng đê mô tả q trình từ hóa theo mơ hình Trong đó, xuât chuyên pha cảm ứng từ trường quan sát thây đường cong từ hóa khác dị hướng từ từ độ lớp từ mêm (dị hướng nhỏ, từ độ lớn) lớp từ giảo (dị hướng lớn, từ độ nhỏ) dần đến trình từ hóa xảy khơng đồng thời từ trường ngồi Với phù hợp đó, có the khắng định trinh từ hóa với xuât chuyển pha cảm từ đường cong từ hóa khác phụ thuộc vào khơng chì nhiệt độ mà độ dày lớp từ giảo Xuât phát từ môi liên hệ từ giảo từ độ (từ giảo tỉ lệ bình phương với từ độ), chuyên pha cảm trường hiểu cách rõ ràng đường cong từ giảo Từ đây, đặc trưng từ giảo với từ giảo cao vùng từ trường thấp từ giảo giảm vùng từ trường cao giải thích theo mơ hình từ hóa đê xt Đặc biệt, đóng góp âm vách đơmen hình thành vùng giáp ranh lớp vật liệu từ giảo từ mềm lần Các tính tốn mơ hình lý thuyết cho kết phù hợp tôt với quan sát thực nghiệm Các kết thu đề tài báo cáo cônti bố 02 côniỉ trình khoa học tham dự hội nghị quốc tế đưọc đăng tai 02 tạp chí chuvên nghành quốc tê có uy tín (xem phụ lục 2) II NỘI DƯNG CH ÍNH CỦA ĐỀ TÀI 2.1 Mục tiêu: Màng mỏng từ giảo thu hút quan tâm đặc biệt đo khả ứng dụng chúng để chế tạo phận cảm biến, phận chuyên động, phận dịch chuyển thiết bị vi điện-cơ Nhiệm vụ hàng đầu đặt cho nhà nghiên cứu vật liệu ỉà phải tìm cách tăng cường thông sổ từ giảo (Ã = Aỉ/l) độ cảm từ giảo Xk = d Ẫ /d (^ fí) vùng từ trường thấp Điều có ý nghĩa đặc biệt quan trọng ứng dụng cho phép hệ vi hoạt động với công suât cao từ trường điều khiên thấp [1,2] Một kết hợp tuyệt vời hợp kim đất hiếm-kim loại chuyển tiếp kim loại chuyển tiếp tạo màng từ giảo đa lớp TbFeCo/FeCo có tính chất từ mềm tuyệt vời đáp ứng u cầu ứng dụng [3] Gần đây, tính chất từ giảo tuyệt vời với từ giảo bão hoà cao (Ắ ~ 10'3) độ cảm từ giảo lớn {ỵi ~ 10'1 T 1) công bố màng đa lớp Tb(Feo 55Co 0) Bước chuyên thứ hai xảy từ trường âm H = Hr2 - Đê hiêu cách tườns minh chế đảo từ, việc xem xét loại lượng cần thiết Khi khơng có từ trường, cấu hình từ qui định chủ yếu lượng trao đổi sắt từ 3d-3d Tương tác có xu hướng thiết lập định hướng mơmen từ Fe(Co) song song trẽn tồn mẫu tương đương với trạng thái từ độ phản song song lớp Fe TbFeCo từ độ TbFeCo qui định mômen từ Tb Khi tác dụng từ trường, cấu hình từ xác định cạnh tranh ba loại lượng, bao gồm lượng Zeeman từ trường ngoài, lượng tương tác trao đổi 3d-3d lượng dị hướng từ [13] Sơ đồ minh họa mơmen Fe(Co) q trình từ hóa với hai bước đảo từ đưa hình 2: - Tại từ trường d n g lớn, /ẨoH = T, lượng Zeeman chiếm ưu mẫu trạng thái bão Ở trạng thái này, từ độ lớp Fe TbFeCo song song với theo từ trường tác dụng Khi đó, mơmen từ Fe(Co) lớp phản song song vách đômen DW chiều dày ổ xuất vùng giáp ranh lớp (hình 2) - Khi từ trường giảm, jLloH, < /J0H < T, lượng Zeeman giảm Lúc này, mômen từ lớp Fe (dị h n g nhỏ) có xu hướng định hướng song song với mômen từ FeCo lóp TbFeCo nH ^ N«r *1#' 70 contact us: riVS(T2()06@fpm fittp: //'WWW fpm u-iuincy.fr/ H IT A C H I -= " ^ = = I N 'u u c y , Inspire theNext t h a l e s M tUBTHE< v McmuC B ENTER l 26 2007 Call for Papers for a Special Issue o f The European Physical Journal B “N ew T ren d s in S pin T ran sfer P h y sics” o n w ith the In ternational W o rk s h o p on Spin T n s fe r (IW S T ) to be held in N ancy, France on O c to b e r 2-4 2006, w e invite r p in Transfer in m a g n e tic n an o stru c tu res to su b m it original contribu tio ns to a special issue o f T h e E u ro p e an Physical Jo urn al B p ically th re e to ten j o u r n a l p ag e s in length S ince this issue is not a p ro c eed in g issue, the papers will be p ro c essed and refereed gh s ta n d a rd p ro c e d u re s o f the Journal T h erefo re, tribu tion s from people w h o will not attend the w o rk s h o p are m o st w will be an o p p o rtu n ity to ce leb rate the 10th an n iv ersary o f S pin T nsfer effect p re dictio ns by J c S lo n c zew sk i and L at the o rig in o f s p in -w a v e ex citation and reversal o f the m ag netiza tio n by a polarized current A lth o u g h these basic p h e n ly d e m o n s tra te d by 0 , there are still m an y o pen qu estio n s regarding the d e p e n d en ce on m aterials and s am p le geo m etrie s a m a g n e tiz a tio n driv en by spin torque A th o ro u g h un d ersta n d in g of' the fundam ental m e c h a n is m s open fascinating novel p er g e and sp in tro n ic d ev ice s since the m a g n etiza tio n state can be m anipulated directly by a flow ing polarized current T h e is to g a th e r an d su rvey re cent and original d e v e lo p m e n ts, both exp erim ental and theoretical, w h ich bring n e w insights into th itors: n , H itachi G S T , San Jose R esearch C en ter U S A a n g in U n iv ersité Henri P oincare, N a n cy , F rance M o u g in l.lniversité Paris Sud O rsay France lo s o n a U n iv e rs ité Paris Slid, O rsay France p n i.u -n a n c y rr/iw s t2 0 /h tm l/liP J B h tm POSTER SESSION G M R in F o cu sed Ion B e a m etc h e d nan o scale C PP p s e u d o spin valv e dev ices A A ZIZ, c w L E U N G , c B E L L , G B U R N E L L , A N D M G B L A M I R E tm K M odeling o f cu rrent in d u c e d m a g n e tic sw itch in g a n d m ag n etic d y n a m ic s in spin valve structures M G M IT R A , J B A R N A S , V K D U G A E V , a T F E R T ■Să1 Effect o f th er m al flu c tu a tio n s in n a n o m a g n e ts d riven by sp in -p o la rize d cu rren ts A bstract R B O N IN , G B E R T O T T I , c S E R P Ỉ C O , I D M A Y E R G O Y Z , M D ’A Q U I N O M ech anism o f th e c u r r e n t-in d u c e d s p in -tr a n s fe r an d the spin w a v e g en era tio n in m ag n etic nan 121*1 Presentation I Z l V.K D U G A E V , V R V I E I R A , J B A R N A S , p p F R E I T A S E ^l Spin current an d n o n -stea d y states in m a g n e tic n an op illars D.M E D W A R D S , J M A T H O N S p in -m ixin g effects on m a g n e t ic s w itc h in g , p r o b e d by th e r m o e le c tr ic m e a su r e m e n ts A bstract L G R A V IE R , S S E R R A N O G U I S A N , J.-Ph A N S E R M E T Syn chro nizatio n o f s p in -tra n s fe r o scillato rs d riv en by s tim u la te d m ic ro w a v e currents J G R O L L I E R , o B O U L L E , V C R O S A F E R T [A ■pp Spin tran sfer to rq u e s tu d ies usin g fo c u s e d -io n -b e a m m illin g b a s e d nan osten c il m ask fabrication G G U N T H E R O D T , G R I C H T E R B O Z Y I L M A Z , M F R A U N E N M U S G E N S M H A W R A N E M B U C K IN S , J M A Y E R A m p è r e F ield s in P o in t C o n t a c t N a n o o s c illa to r s w ith a P e r p e n d ic u la r G e o m e tr y In d u ce a M a g o ster.htm 26 2007 Page o f J.-V K IM Study on m a g n e tic p e rp e n d ic u la rity in L lO -F e P t film s on F e R h / S i - g l a s s S K O Y A M A , T T O R II , T S H IM A , T G O T O D om ain wall d is p la c e m e n t in d u c e d by sp in -p o lariz ed c u rren t in spin valv es S L A R IB I, V C R O S , J G R O L L I E R , M M U N O Z , A H A M Z I C , c D E R A N L O T , A F E R T s zo Effect o f hard axis an iso tro p y o f nan o strip e o n th resh o ld c u rren t density for c iư re n t induced dom ain K J Lee, s M Seo, w J K.im, T D L ee, H Y L ee, and K H Shin Thermal effects o n d o m a in w all d e p in n in g from a single n otch E M A R T IN E Z , L L O P E Z - D I A Z , L T O R R E S , c T R IS T A N , lĩrãS t o A L E J O S N arrow sp ectral lines in s p in -tr a n s fe r o scillato rs based on sp in -v a lv e n anop illars A bstract Q MISTRAL, JOO-VON KIM, T DEVOLDER, p CROZAT, c CHAPPERT, J A KATINE M ( fcy'l J * Spin A c c u m u la tio n an d M a g n e tiz a tio n R eversal in M ag n e tic N a n o p a rtic le s S Mitani, K Y akushiji, F E rn u lt and K T ak a n ash i Therm al Ei'fect o n the sp in p o la riz e d curren t in d u c e d d o m a in wall m otio n in n ano w ire Y N akatani Vectorial sp in -stru ctu re o f w a lls b e tw e e n h e a d -to -h e a d d o m a in s P O R T M A N N , A V I N D I G N I , A V A T E R L A U S , D P E S C IA / S pin-transfer to rq u e from a F eP t p e r p e n d ic u la r spin p o lariz er o n an in -piane m ag n e tiz e d layer T Seki, S M itani, K Y a k u sh iji, K T ak a n a s h i S pin-polarized tran sp o rt b a se d on d o u b le -S c h o ttk y barriers X L T A N G , H w Z H A N G , H su, Z.Y Z H O N G , Y L JIN G M agn etic stu d y o f T b F e C o / Y F e C o m u ltila y e r s h a v in g e x c h a n g e - b ia s p h e n o m e n o n Ab st ct Li D.T.HƯONG GIANG, N.H DUC, J JURASZEK, J TEILLET Stability d ia g r a m fo r p e r p e n d ic u l a r sp in to r q u e d ev ices w ith en e r g y la n d sca p e Abs t ct ll RU Z H U and p V I S S C H E R da* Electrical c h a ru ctcriz alio n of n a n o s c a l e fei'romamietic cross j unct i ons I— — M W ahle, B W ilk e S.F F is c h e r, u K un z e E S chu ster, w K e u n e E Ve rd ui jn and K W'cstcrholt 'oster.htm 26 2007 Eur Phys J B XX XXX THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL B (2007) Magnetic study of TbFeCo/YFeCo multilayers having exchangebias phenomenon D.T.Huong G ia n g 1'8 N.H D u e 1, J J u r a s z e k 2, J T e ille t 1College of Technology, Vietnam National University, Hanoi, Building: E3, 144 Xuan Thuy Road Hanoi, Vietnam Groupe de Physique des Matériaux, UMR CNRS 6634, Université de Rouen, 76801 St Etienne du Rouvrav France Paper presented at the IWST2006 in France A bstract Exchange-spring TbFeCo/YFeCo multilayers exhibited interesting magnetic and magnetostrictive properties that are rather promising for application in microsystems In this paper, we pre­ sent the results of our studies on the magnetization process, the effect of creation of interfacial do­ main walls and an exchange bias phenomenon depending on the composition of the soft YFeCo layer This effect is revealed by a shift of the minor hysteresis loop from zero applied magnetic field by an amount H e (called as exchange bias field) This behavior becomes rather pronounced at low tempera­ tures attributed to the enhancement of the magnetization and magnetic anisotropy Consequences of the exchange bias effect on the magnetization and magnetostriction process will be discussed PACS 75.70-i Magnetic films and multilayers - 75 80 +q Magnetostriction - 75.30 Et - Exchange and superexchange interactions Introduction Where two grains are directly in contact with each other, the magnetic m om e n ts at the gram interface causes exchange-coupling interaction b etw een the two grains The effect of exchange-coupling interaction has been applied in various m aterials The fundam ental understanding of the exchange-coupling m echan ism has been successfully applied to the so-called low-field giant magnetostrictive exchan ge-sp rin g TbFeCo/YFeCo multilayers, in which g ian t liiagn etostiictive (e.g TbFeCo) and soft m agnetic (e.g FeCo) layers alternate [1,2] The structural, m agnetic and m agnetostrictive properties of T b F eC oA T eC o m ultilayers have been previously studied in relation w ith concentration as well as the annealing trea tm en ts In these in vestigation s, a rather high Tb content of 40 at-% IS fixed in order t.0 maintain the amorphous structure in the magnetostrictive TbFeCo layers, w h e re a s the miciostriiL'ture of the individual soft, m agnetic FeC o-lavers can be varied d e p e n d i n g on the Y-concentration from am orphous (x = 0.2) to nanocrystalline (x = 0.1) and crystalline (x - 0) state [3], Most of recent re su lts for su ch m ngnelost i ictive materials have attracted much a tte n tio n mainly in magnetic and m agn eto stricliv e so f tn e s s improvement However, the detailed m agn e tiz a tion process during reversal shows unexpected nonm onotonic magnptost.netive change Besides, the exch an ge-b iasin g p henom en on associated with the exchan ge coupling b etw e en ferrom a­ * e-mail: giangdth@ vnu.edu.vn gnetic TbFeCo and ferromagnetic YFeCo layers as usually found in the antifeiTomagnetic (AF)/fc‘n'omagiit‘tic (F) bilayer sy stem s has not been taken into account In this articlp, we have focused on the int.prfacp pxdiniiỊỊiv coupling interaction and exchange bias phenomenon and their correlation with magnetization and magnetostriction process in the Tb(lrensr,Conjr,)]sA\(Fe(i:Co(i:0i-\ multilayers The sam ples were fabricated by RF-magnctron sputtering with a variable Y content X = 0, 0.1, 0.2 and the period number n = 50 The thicknesses of tile indivi­ dual layers are = 12 nm and /vK»r , = 10 nm The m agnetization loops were m easured using a SQUID from the liquid liplium to room tempprature in fields up to T The magnetostriction was m easured by using an optical cieflectomeler (resolution of x10 rad), in which tlie bending of the substrate duo to the mngnf’tosl ru t ion ill tile film w as determined Results and discussion Shown in Fig arc the parallel m agnetization eurvfs m easured ill and 100 K for the as-dpposited siunpli's When swapping tilt* field from high positive lo ru'fjntive field, the hysteresis loop exhibit* tho ficld-mducod m a g ­ n etization tran sitions At Ii'm pe rat uros two d i f f e r e n t b e h a v i o r s , i i f n b s e r v e r l : (i) I w o - s l f p tion c-urvfs at T - •"> K (Flu la), m eanwhile til) at T 100 K t hey l i r e I lircn-.'tcji m a i i n i ' t i z n l i n n c u r v ( ‘s FeCoA\(Fe(’o)i Vmultilayers: fa) = 0, (b) X = 0.1 and (c) X X = 0.2 of Fig The m agnetization process in th is sy stem IS governed bv the competition b etw een three energies: exchange coupling, m agn e tic anisotropy and Zeeman energy (4Ị In these sy stem s, Y FeCo is a ferromagnetic alloy, whereas Tb(FeCo) IS a ferrim agnetic one and the coupling between FeCo and Tb m o m e n ts is antiferro­ magnetic with dominant Tb contribution to m a g n e tiz a ­ tion Because the exchan ge coupling b e tw e e n the layers IS dominated by F e C o -F e C o ferrom agnetic interactions, the coupling between the net m a gn e tiz ation of the two layers is antiferromagnetic For a very high field, the Zeeman energy dom in ates and the net m agnetization of both YFeCo and TbFeCo tends to be aliened in the field direction (,h ig h -fic ld s a tu r a tio n (HFS) sta te ) and an extended domain wall (EDW) IS induced b e tw e e n layers (síaíe (1)) When the field is decreased, the H F S -state and then EDW is firstly va n ished by the reversal of the YFeCo layer and/or TbFeCo layer dep en din g on their magnetization (M ) and m agnetic anisotropy (K) Let us firstly start to consider the 100 K m ag n e tiz ation loops shown on the right of Fig At this tem perature, the magnetic anisotropy of the TbFeC o la yers can be negligible As the m agnetic field IS decreased from the H F S -state the m agnetization reversal takes place firstly in the sm aller m agnetization TbFeCo layers (sta ir (1*)) At low negative fields, the reversal occurred for the whole system followed by a plateau (low-field s a t u ­ ration (LFS) state) (stale (2)) In tins case, the LFS-state corresponds to the feri ’1 magnetic multilayered one At low tem perature T = K however, staitine lo dec­ rease the applied m agnetic field, the HFS-stiite IS re­ placed by the LFH-state with the fust revi>rs;il of the m agnetic m om ents occurring 111 the Fe lnyrrs [stale (2)) This IS due to the fact tlint nllhoueh the TIiFeCo lnyi'is have sm aller net m agnetization (with respect 1(1 that of Fp l a y e r s ) , t h e i r s t r o n g m a g n e t i c - a n i s o t r o p \ - c o n t i n u f - s to pin their m agnetization a g a i n s t tin* magnetic field direc­ tion For sam ple X - ;md 0.1 tile l'otMtion of the I'_ u /u » 150 - o 100 St 50 200 150 o r 100 50 200 50 [5], The difference in the m agnetization process can be experimentally obtained by the typical minor h ysteresis loops recorded at K and 100 K for typical TbFeCo/YozFeCoos m ultilayer (see in Fig 3) The T to a measurement w as obtained by sw e e p in g the field from small negative valu e fi0H ~ -0.4 T collected from the hysteresis loops (Fig 1) that corresponds to LFS-state without interface EDW (sta te (2)) From recoil curves of minor cycles, we observed clearly one-step magnetization reversal at K, m ean w h ile it w a s two-step reversal process at high tem perature, T - 100 K r: rỉ~ 100 50 0-0 -0.4 -0 0.0 0.4 ,ioH